碳化硅功率器件及应用

碳化硅（SiC）半导体材料是自第一代元素半导体材料（Si、Ge）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代半导体材料。作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、载流子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性良好等特点，可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，或在一般应用中产生硅器件难以产生的效果。

1.碳化硅材料的特点

SiC材料的一个显著特点是同质多型，制作器件最常用的是4H-SiC和6H-SiC两种。如表1所示，和传统的半导体材料，如Si、GaAs等相比，SiC材料具有更高的热传导率（3～13倍），使得SiC器件可以在高温下长时间稳定工作；更高的临界击穿电场（4～20倍）和更大的载流子饱和速率，有利于提高器件的工作频率。

2.SiC材料制备

SiC单晶的制备最常用的方法是物理气相传输（PVT），大约占晶圆供应量的90%以上。此外，高温化学气相淀积（CVD）也越来越重要，该方法能产生极低杂质含量的晶锭。同时，这两种方法均可应用于制备SiC外延。20世纪50年代Lely使用两层石墨舟，使外层的坩埚加热到2500℃，SiC透过里层的多空石墨升华进入内层形成晶体。70年代后期，Tairrov和Tsvetkov对Lely法进行了改进，SiC源在石墨舟的底部，底部温度达2200℃，顶部温度较低并放置籽晶，温度梯度为20~40℃/cm，这种方法又称为PVT。

由于SiC单晶的制备难度较大，成本高，因此SiC外延生长在SiC器件技术中举足轻重。对于不同的衬底，生长SiC外延可以分为两种：以SiC为衬底的同质外延生长和以Si和蓝宝石为衬底的异质外延生长。自从较大直径的SiC晶片商业化后，SiC同质外延生长技术发展很快，SiC同质外延生长主要采用以下方法：升华或物理气相传输（PVT）、分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）及化学气相淀积（CVD）。

分子束外延法将原材料进行蒸发并作为分子束进行传输，最后到达经过预热、处于旋转状态的衬底。这种方法可以提供高纯质量、高精准厚度、低温（600~1200℃）的外延层。液相外延是一种相对比较简单而且成本较低的生长方法，生长发生在三相平衡线上，但这种方法对外延层表面形貌难以进行很好地控制，进而限制了LPE的使用。

化学气相淀积法中，衬底放在旋转同时被加热的石墨托盘上，气相的分子束扩散到衬底表面并分解，由衬底表面吸收后与表面反应，形成外延层。这种方法目前是SiC衬底生产的主要外延工艺。

3.SiC功率器件及应用

SiC功率器件主要包括功率二极管（SBD和PiN等）、单极型功率晶体管（MOSFET、JFET和SIT等)和双极型载流子功率晶体管（BJT和GTO等）。

3.1功率二极管

肖特基势垒二极管（SBD）作为一种单极性器件，在导通过程中没有额外载流子注入和储存，因而基本没有反向恢复电流，其关断过程很快，开关损耗很小。由于碳化硅材料的临界雪崩击穿电场强度较高，可以制作出超过1000V的反向击穿电压。在3kV以上的整流器应用领域，由于SiC PiN二极管与Si器件相比具有更快的开关速度、高结温承受能力、高电流密度和更高的功率密度，SiC PiN二极管在电力设备、能量储备、超高压固态电源领域扮演更重要的角色。

3.2单极型功率晶体管

碳化硅MOSFET的突出优势体现在：导通电阻小；低电容，开关速度快；驱动电路简单；正温度系数易于并联。因而，应用碳化硅MOSFET能够提高系统的效率，降低散热需求，提高开关频率且增加雪崩强度。这些优势决定了其在太阳能转换器、高压DC/DC变换器和电机驱动等领域中具有广阔的应用。由于SiC MOSFET存在沟道电子迁移率和SiO2层击穿的问题，因此作为没有肖特基接触和MOS界面的单极器件SiC JFET就很有吸引力。SiC JFET有着优良的特性和结构和相对简化的制造工艺。SiC JFET产品分为常开沟道型（normally-on）和常闭沟道型（normally-off）两种，其中常闭沟道型能够与现有的标准栅极驱动芯片相匹配，而常开沟道型则需要负压维持关断状态。SIT（静电感应晶体管），主要用于从超高频到微波频率的大功率放大器和发射器、电源调节设备中的大功率转换。

3.3双极型载流子功率晶体管

SiC双极型功率器件BJT因SiC临界雪崩击穿电场强度是Si的10倍，而比Si BJT的二次击穿临界电流密度高100倍，不会有Si BJT那样严峻的二次击穿问题，此外，临界雪崩击穿电场强度高这一材料优势也使SiC BJT在相同的阻断电压下可比Si BJT有较窄的基区和集电区，这对提高电流增益β和开关速度十分有利，SiC BJT主要分为外延发射极和离子注入发射极BJT，典型的电流增益在10～50之间。与碳化硅功率MOS相比，对3kV以上的阻断电压，碳化硅晶闸管的通态电流密度可以提高几个数量级，特别适合高压大电流开关方面的应用。对碳化硅晶闸管的开发主要集中于GTO，目前阻断电压最大的GTO器件，阻断电压为12.7kV。

SiC材料的优良特性及SiC功率器件的巨大性能优势，激励着人们不断地研究与开发，随着大尺寸SiC晶圆生长技术和器件制造技术的的发展，SiC功率器件将在民用和军事方面得到更广泛的应用。

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